基于阻抗的虚拟同步机多机并联系统改进无功控制方法与流程

1.本发明属于虚拟同步机技术领域，尤其涉及一种基于阻抗的虚拟同步机多机并联系统改进无功控制方法。


背景技术：

2.基于可再生能源(如风能、太阳能等)的分布式发电技术是人类应对能源危机和环境污染的重要手段之一。而大量分布式电源通过并网逆变器等电力电子装置接入电网，使传统的同步发电机比例逐渐降低，从而引起电力系统的旋转备用容量及转动惯量相对减少的现象；同时，由于一次能源具有间歇性及不可控性，使得电网稳定性问题越发严峻。因此如何让分布式电源友好地并网，降低分布式电源对电网安全优质运行的负面影响，提高电网对分布式电源的接纳能力，是智能配电网亟需解决的重大问题。
3.在这样的背景下，提出了虚拟同步发电机概念，即通过向并网逆变器引入相应控制算法，使基于并网逆变器的分布式电源从外特性上模拟或部分模拟出同步发电机的频率及电压控制特性，同时增强分布式能源的并网阻尼和惯性，从而改善分布式系统的稳定性。
4.多虚拟同步发电机组网运行在系统容量、冗余性、可靠性、灵活性等方面具有巨大优势，但系统中分布式能源地理位置分散，线路阻抗的不匹配、逆变器结构参数及控制器类型等诸多因素均会造成逆变器输出电压的差异，从而导致并联系统的无功功率很难实现按容量比例精确分配，产生无功环流，而无功环流在逆变器间传送，加大了逆变器中的功率器件、线路及输出滤波器的电流应力和热应力，严重时将导致逆变器过载或过流保护动作，致使并联系统无法工作。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于阻抗的虚拟同步机多机并联系统改进无功控制方法，从而克服了现有多虚拟同步机并联运行时的无功分配和环流分配不合适的缺点。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于阻抗的虚拟同步机多机并联系统改进无功控制方法，包括以下步骤：
7.中央控制器通过低带宽通讯获取虚拟同步机多机并联系统中各vsg单元输出的无功信息，根据所述无功信息构造自适应虚拟阻抗，从而补偿由于馈线压降不等而造成的逆变器输出电压参考值的差异，实现无功负荷的精确分配；
8.其中，虚拟同步机多机并联系统包括本地控制器；
9.中央控制器根据所述自适应虚拟阻抗构建控制策略，所述控制策略包括以下步骤：
10.中央控制器获取所述无功信息，在本地控制器接收到与实际输出不相同的无功负荷参考值之前，积分控制信号为0，积分器的输出保持在上一次调节的状态，若负荷不发生变化，vsg单元输出的无功负荷稳定跟随无功负荷参考值，系统无功分配情况良好，控制策略一直持续，直到负荷发生变化，进入下一步骤；
11.当负荷变化时，vsg单元输出的无功负荷相应改变，中央控制器根据新的无功负荷情况同步更新无功负荷参考值，本地控制器检测到实时的无功负荷与新的无功负荷参考值存在偏差时，将积分控制信号由0置为1，使积分器开始无功功率的调节，当vsg单元输出的无功稳定跟随新的无功负荷参考值时，调节过程结束，积分控制信号复位为0，返回上一步骤进行控制。
12.优选地，中央控制器定时获取所述无功信息。
13.优选地，中央控制器定时获取所述无功信息为：
14.同步信号的频率为5hz，中央控制器没0.2秒计算并更新一次无功负荷参考值。
15.优选地，所述控制策略还包括：当中央控制器与虚拟同步机多机并联系统中断时，本地控制器获取负荷，若负荷不发生变化，虚拟同步机多机并联系统将持续无功精确分配的稳态；若负荷发生变化，根据积分器的输出保留在上一次的调节状态。
16.优选地，当中央控制器与虚拟同步机多机并联系统中断时为：本地控制器记录最近一次无功参考值的更新时间，当检测到更新时间超时，判断虚拟同步机多机并联系统出现通讯故障，将虚拟同步机多机并联系统的积分控制信号置为0，同时，中央控制器停止所有vsg单元的无功信号更新，直到通讯恢复为止。
17.优选地，所述自适应虚拟阻抗的表达式为：
[0018][0019]
其中，
[0020][0021]
上式中，xv为实现低压系统中无功和有功功率解耦的虚拟电抗；q
j_rate
为第j台vsg单元的额定无功功率；q
load
为虚拟同步机多机并联系统的无功负荷的总功率，由所有vsg单元输出的无功之和得到；q
i*
为中央控制器根据总的无功负荷功率和各vsg单元的额定容量权重计算出的对应微源应分摊的无功参考值；kc为积分控制增益；gk为积分控制信号，由vsg单元的本地控制器中的逻辑电路产生，当检测到无功分配偏差，即vsg接收到的无功参考值与实际输出的无功不相等时，gk信号为1，使能积分器；当检测到无功分配偏差消除或通讯出现中断现象时，gk信号为0，禁止积分器使能。
[0022]
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0023]
本发明所提供的基于阻抗的虚拟同步机多机并联系统改进无功控制方法，利用低带宽通讯获取逆变器输出的无功信息，通过自适应虚拟阻抗的虚拟同步机多机并联接入以及控制策略，保证系统频率电压稳定，提高虚拟同步机接入电网的电能品质，增强电网阻尼惯性，实现无功负荷的精确分配，为主动配电网的安全运行提供更多的控制自由度。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]
图1是本发明的虚拟同步机多机并联系统的结构示意图；
[0026]
图2是并联虚拟同步发电机的功率分配原理示意图；
[0027]
图3是引入虚拟阻抗的虚拟同步机多机并联系统的等效原理示意图；
[0028]
图4是引入虚拟阻抗后的电压电流比例的环流控制框图；
[0029]
图5是发明实施例的虚拟同步机多机并联系统仿真模型结构示意图；
[0030]
图6是三台并联vsg单元采用传统虚拟同步控制时的仿真结果示意图；
[0031]
图7是采用本发明方法进行控制的仿真结果示意图；
[0032]
图8是三台vsg有功和无功分配的仿真结果示意图；
[0033]
图9是通讯中断时虚拟同步机多机并联系统的功率分配的仿真结果；
[0034]
图10是本发明一种基于阻抗的虚拟同步机多机并联系统改进无功控制方法的流程图。
具体实施方式
[0035]
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
图1示出了虚拟同步机多机并联系统，虚拟同步机多机并联系统包括多个并联的虚拟同步机(vsg单元)，vgs单元包括依次连接的直流源、并网逆变器和滤波器，各虚拟同步机由馈线连接到交流母线，共同为负载供电；与虚拟同步机直接连接的负荷为本地负荷，其余为网络负荷。通过公共连接点(point of common coupling，pcc)的静态开关k，完成系统的并/离网运行。
[0037]
虚拟同步发电机技术实质上是模拟了传统同步发电机的功频静特性，并将发电机等机械装置特有的惯量与阻尼引入到控制环中，增强系统的稳定运行。其功率分配原理如图2所示，并联的虚拟同步机分别以各自输出电压的频率、幅值作为有功、无功的输出衡量标准，根据预设的有功-频率曲线、无功-电压曲线，自动参与功率的比例分配，实现无通讯情况下的负荷共享。
[0038]
而系统频率作为一个全局量最终会被拉为同步，有功功率总能按预设的分配比值精确分配。然而，虚拟同步机输出电压的幅值的参考值近似为逆变器的输出电压幅值，其值会受到各逆变器对应网络端口特性差异的影响而难以统一，这导致并联的vsg单元不能按照其额定容量的比例输出无功，进而产生系统无功环流。
[0039]
传统虚拟阻抗环控制：
[0040]
引入虚拟阻抗的原理如图3所示，通过在逆变器虚拟输出电压ei与实际端口电压u
oi
之间引入虚拟阻抗z
viri
，使相对虚拟电压ei的系统等效阻抗满足逆变器容量反比的要求，即各vsg单元的虚拟阻抗z
viri
、馈线阻抗z
fi
之和的比值呈容量的反比，从而对不匹配的
馈线阻抗进行修正，使得等效阻抗上产生压降相同，即δe1＝δe2，进而满足e1＝e2，实现并联虚拟同步机的无功精确分配。
[0041]
采用输出电流值反馈，引入虚拟阻抗后的电压电流比例的环流控制框图如图4所示。图4中，e
ref
为引入虚拟阻抗后的电压参考调制信号：
[0042][0043]
根据环流控制框图，得到：
[0044]
uo(s)＝gv(s)e
ref
(s)-zo(s)io(s)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0045]
通过式(1)和式(2)得到：
[0046][0047]
式(2)中，z0'(s)为虚拟阻抗引入后的等效输出阻抗：
[0048]
z'o(s)＝gv(s)z
vir
+zo(s)
[0049]
基频处有|gv(s)|≈1，|zo(s)|≈0成立，故在基频处近似有z'o(s)＝z
vir
；
[0050]
因此，忽略逆变器等效输出阻抗影响后，引入的虚拟阻抗取值只需要根据馈线阻抗参数信息，使系统等效阻抗之比满足容量反比即可。
[0051]
经过分析后发现，传统的虚拟阻抗方法主要基于物理电路模型，需要精确获知馈线阻抗的参数信息，对工程测量的要求较高；且该方法没有考虑到本地负荷对馈线压降的影响，当本地负荷发生变化时，既定的虚拟阻抗不能匹配新的运行点，无法良好地实现并联系统的均流。
[0052]
如图10所示，为提高虚拟阻抗的无功分配性能，本文借助通讯手段，提出一种基于阻抗的虚拟同步机多机并联系统改进无功控制方法，具体包括以下步骤：
[0053]
s1、中央控制器通过低带宽通讯获取虚拟同步机多机并联系统中各vsg单元输出的无功信息，根据所述无功信息构造自适应虚拟阻抗，从而补偿由于馈线压降不等而造成的逆变器输出电压参考值的差异，实现无功负荷的精确分配；
[0054]
其中，虚拟同步机多机并联系统包括本地控制器。
[0055]
自适应虚拟阻抗的表达式为：
[0056][0057]
其中，
[0058][0059]
上式中，xv为实现低压系统中无功和有功功率解耦的虚拟电抗；q
j_rate
为第j台vsg单元的额定无功功率；q
load
为虚拟同步机多机并联系统的无功负荷的总功率，由所有vsg单元输出的无功之和得到；q
i*
为中央控制器根据总的无功负荷功率和各vsg单元的额定容量权重计算出的对应微源应分摊的无功参考值；kc为积分控制增益；gk为积分控制信号，即积
分控制的使能信号，由vsg单元的本地控制器中的逻辑电路产生，当检测到无功分配偏差，即vsg接收到的无功参考值与实际输出的无功不相等时，gk信号为1，使能积分器；当检测到无功分配偏差消除或通讯出现中断现象时，gk信号为0，禁止积分器使能。
[0060]
图3为自适应虚拟阻抗的控制框图。其中，中央控制器定期发出同步信号采集系统无功负荷信息，并根据上式计算和发送各vsg单元应该分摊的无功参考值q
i*
，本地控制器接收到q
i*
后，通过积分器调节vsg单元输出的无功，最终使微源实际输出的无功功率与参考值相符合，实现无功的精确共享。注意，通讯仅涉及到中央控制器与本地控制器，而本地控制器之间不需要通讯联络，仍保留了逆变器的即插即拔特性。因此，为了解决无功负荷存在的局限性：
[0061]
s2、中央控制器根据所述自适应虚拟阻抗构建控制策略，所述控制策略包括以下步骤：
[0062]
s21、中央控制器定时获取无功参考值q
i*
，在本地控制器接收到与实际输出不相同的无功负荷参考值之前，积分控制信号gk为0，积分器的输出保持在上一次调节的状态，若负荷不发生变化，vsg单元输出的无功负荷稳定跟随无功负荷参考值，系统无功分配情况良好，控制策略一直持续，直到负荷发生变化，进入下一步骤；
[0063]
s22、当负荷变化时，vsg单元输出的无功负荷相应改变，中央控制器根据新的无功负荷情况同步更新无功负荷参考值q
i*
，本地控制器检测到实时的无功负荷与新的无功负荷参考值存在偏差时，将积分控制信号gk由0置为1，使积分器开始无功功率的调节，当vsg单元输出的无功稳定跟随新的无功负荷参考值时，调节过程结束，积分控制信号复位为0，返回上一步骤进行控制。
[0064]
其中步骤s21中，中央控制器定时获取所述无功信息为：同步信号的频率为5hz，中央控制器没0.2秒计算并更新一次无功负荷参考值。考虑到通讯的固有延时，各逆变器接收到同步无功参考信号的时间可能不一致。而较为缓慢的调节过程可以降低对通讯一致性的“敏感度”，从而大大降低对通讯链路带宽和速率的要求，但过长的调节时间也会使补偿作用太小导致效果不明显。考虑到系统负荷需求的变化并不会很频繁，如居民点负荷的变化通常很慢，调节过程可合理选择为1～2s。如此，无功的调节时间相比q
i*
的更新周期要长得多，当调节过程中出现负荷变化时，中央控制器能根据新的负荷情况及时更新q
i*
，保证无功的分配精度及系统的稳定性。
[0065]
虚拟同步机多机并联系统运行的过程中，可能会出现通讯中断的故障情况，所述控制策略还包括步骤s23、当中央控制器与虚拟同步机多机并联系统(本地控制器)中断时，本地控制器获取负荷，若负荷不发生变化，虚拟同步机多机并联系统将持续无功精确分配的稳态；若负荷发生变化，根据积分器的输出保留在上一次的调节状态。
[0066]
具体的，当中央控制器与虚拟同步机多机并联系统(本地控制器)中断时为：本地控制器记录最近一次无功参考值q
i*
的更新时间，当检测到更新时间超时，判断虚拟同步机多机并联系统出现通讯故障，将虚拟同步机多机并联系统的积分控制信号gk置为0，同时，中央控制器停止所有vsg单元的无功信号更新，直到通讯恢复为止。
[0067]
对本发明基于阻抗的虚拟同步机多机并联系统改进无功控制方法进行仿真验证，以使本领域技术人员更了解本发明：
[0068]
在matlab/simulink软件平台上搭建虚拟同步机多机并联系统仿真模型，如图5所
示，该系统由三台容量均为9kva的虚拟同步机vsg
1-vsg3、各虚拟同步机的本地负荷load
1-load3以及公共负荷load
4-load6构成。各节点间馈线长度设置如图，其阻抗根据低压微电网典型馈路参数计算，其中单位馈线电抗为0.083ω/km，单位馈线电阻为0.642ω/km。vsg主电路及控制参数如表1所示，虚拟同步机多机并联系统仿真模型的负荷初始参数如表2所示。
[0069]
表1 vsg单元主电路及控制仿真参数
[0070][0071]
表2系统负荷初始参数
[0072][0073][0074]
算例1：传统虚拟同步控制方法
[0075]
图6为三台并联vsg单元采用传统虚拟同步控制时的仿真结果。可以看出，由于各vsg单元对应网络端口的特性差异，逆变器输出电压的幅值参考难以统一，无功功率不能的均分而出现明显的无功分配偏差。而由于稳态时各逆变器运行于同一频率，有功功率能够实现良好的均分。在初始运行点下各vsg单元输出的电流情况如图6(c)所示，可以看出因为无功不能均分，各vsg的输出电流幅值、相位均存在较大的幅值差异。仿真结果说明，传统q-e控制在无功的均分中存在局限性。
[0076]
算例2：采用本发明的自适应虚拟阻抗方法
[0077]
采用本文提出的基于阻抗的虚拟同步机多机并联系统改进无功控制方法后，vsg单元的功率分配情况如图7所示。在2s时刻，使能积分器开始无功功率的调节，可以看出，各vsg输出的无功偏差逐渐减小到零，最终实现无功负荷的精确分配。图7(b)中各vsg单元输出的有功在开始调节和负荷加载时出现微小扰动，但有功均分效果始终良好。图7(c)为各逆变器在初始运行点处的输出电流波形，对比图7(c)，由于调节后无功分配精确度的提高，vsg输出电流几乎完全重合，系统均流效果得到明显提升。
[0078]
算例3：通讯链路延时情况
[0079]
为检测通讯链路延时对所提控制策略效果的影响，对vsg2、vsg3的无功更新信号
分别施加0.05s、0.1s的延时，为体现通讯的不一致，vsg1的更新信号保持正常。三台vsg有功和无功分配的仿真结果如图8所示。从图中可以看出，由于通讯链路的延时，在6s负荷发生突变时，vsg2、vsg3不能根据新的运行点及时更新无功参考值，有功和无功均出现轻微扰动，影响了功率分配的动态性能。但在系统稳态运行时，有功和无功输出稳定且均分效果良好，因此通讯延时不影响无功分配的稳态性能。
[0080]
算例4：通讯中断情况
[0081]
图9给出了通讯中断时，系统功率分配的仿真结果。在t＝5s时刻发生通讯故障，本地控制中接收器检测到有功更新信号的超时，将gk置为0，断开积分器输入。从图9(a)中可以看出，通讯故障时若负荷不发生变化，无功的分配精确度不会受到影响；当负荷发生变化时，无功的均分出现偏差，但相比案例1中仅采用传统虚拟同步控制时，各vsg单元的无功分配误差明显降低。当t＝8s时刻通讯恢复时，无功分配误差逐渐减小，恢复良好的均分效果。图9(b)中各vsg输出有功始终相同，因此通讯中断对有功的分配没有影响。
[0082]
终上，本发明所提出的基于阻抗的虚拟同步机多机并联系统改进无功控制方法，利用低带宽通讯获取逆变器输出的无功信息，通过自适应虚拟阻抗的虚拟同步机多机并联接入以及控制策略，保证系统频率电压稳定，提高虚拟同步机接入电网的电能品质，增强电网阻尼惯性，实现无功负荷的精确分配，为主动配电网的安全运行提供更多的控制自由度。
[0083]
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。